3D打印类皮肤表皮微流控系统用于汗液捕获和分析

汗液是一类有吸引力的生物体液，可用于体内化学物质的无创监测。汗液中含有丰富的与生理健康状态相关的生物标志物，包括电解质、代谢物、激素、蛋白质和外源性药物等。研究表明，对这些生物标志物以及其它汗液生物标志物的间歇性或连续评估，可以提供对身体代谢过程的时间动态研究，从而广泛应用于运动表现评估以及医学诊断等领域。传统的汗液收集方法是借由条带将吸收垫或微孔管压在表皮上，并在汗液从皮肤中流出时，将汗液收集起来。这些收集方法需要训练有素的人员、特殊的处理方法和昂贵的实验室设备，无法实现实时汗液分析，并且容易导致样品污染或丢失。

柔性微流控、传感技术和电子学的最新进展为一类独特的类皮肤表皮微流控（“epifluidic”）系统的发展奠定了基础。表皮微流控系统通过微流控网络的固有封装和保形皮肤界面，可以消除外部样品污染。制造芯片实验室（lab-on-chip）微流控器件的一种常见的、成熟的工艺是软光刻工艺，其需要高精度的模具来构建基于弹性体材料的离散、有图案的层（例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）），将这些层粘合在一起，就会构成一个密封的器件。常规情况下，生产具有足够特征分辨率（>20 μm）的模具需要昂贵且耗时的加工方法（微加工和微铣削），并且需要专门的无尘室环境。这些要求导致了器件设计周期的延长，用于创新的设备不易获取，以及由于不适用大规模制造而给商业部署带来的额外挑战。

增材制造（AM）或三维（3D）打印代表了传统平面（2D）制造方法的一种有吸引力的替代方案。通过快速扩展的打印方法库，增材制造具备生产具有真正3D架构复杂对象的强大功能。一般来说，可穿戴系统设计必须解决皮肤机械性能与刚性平面器件组件之间固有的不匹配问题。柔性材料化学的最新进展为3D打印方法用于可穿戴设备制造奠定了基础。然而，由于适合打印高分辨率微流控器件的主要材料化学成分（即甲基丙烯酸酯基树脂）的杨氏模量很高，因此利用3D打印方法制造表皮微流控器件仍然很受限制。目前制造皮肤界面3D打印微流控器件的努力方向是使用替代打印方法，例如，熔融沉积建模法和直接墨水书写法等，这些方法支持低模量材料的制造，但代价是打印机分辨率（>200 μm）。对于表皮微流控器件而言，理想的制造方案是使用基于树脂的打印方法来制造具有与传统方法特征尺寸相当的并且具有生物相容性形状的器件。这种方法将用真正的3D器件架构改变流体设计领域，同时实现快速、迭代的设计过程，促进个性化器件定制，并降低小批量生产的成本。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自美国夏威夷大学（University of Hawaii）的研究人员报道了一种“集汗器（Sweatainer）”系统，该系统引入了一种增材制造方法来制造表皮微流控器件，以用于收集和分析汗液。该增材制造方法可以实现微流控通道和流体控制组件（如阀门）的真正3D设计。此外，对打印参数的详细表征和优化为制造光学透明度更高、特征尺寸小于100 μm的微流控器件提供了可行的路径。相关研究成果以“Skin-interfaced microfluidic systems with spatially engineered 3D fluidics for sweat capture and analysis”为题，发表于Science Advances期刊。

Sweatainer系统由一个由封闭通道和非密封储层组成的3D打印微流控网络、一个PDMS储层封盖层和一个由超薄生物医学粘合剂制成的衬垫组成。在完成器件的粘合前引入染料或比色测定，可以分别实现汗液可视化和氯化物的浓度分析。此外，该系统的一个关键特点是使用增材制造方法实现完全3D的单片微流控设计，包括复杂的非平面内部通道结构、空间渐变几何形状和3D毛细管爆破阀（CBVs）。毛细管爆破阀是许多表皮微流控平台中汗液生物标志物序列分析的关键组成部分。由物理（如汗腺密度）、生理（如运动和情绪）和外部因素（如温度和pH）引起的出汗率的时间动态变化会导致分析物浓度的相应变化。当流体压力低于设计阈值（爆破压力（BP））时，毛细管爆破阀可以阻止流体流动；当流体压力超过爆破压力时，毛细管爆破阀立即爆破。其中，毛细管爆破阀的爆破压力由阀门几何形状控制，而无需使用执行器或可移动组件。与平面毛细管爆破阀相比，3D制造扩展了毛细管爆破阀的设计空间，可以更好地控制由此产生的爆破压力。同理，空间渐变几何形状的设计通过允许微流控通道和储层之间的连续过渡，可以提高汗液收集效率。

图1 用于收集和分析汗液的3D打印表皮微流控器件的原理图和光学照片

图2 用于连续汗液分析的3D毛细管爆破阀（CBVs）的设计

随后，研究人员使用静态骑车的场景研究方法对Sweatainer系统的汗液检测性能进行了研究，包括多重样品收集性能和氯化物浓度的原位比色分析性能。研究结果表明，所设计的Sweatainer系统可以实现原始汗液样本的多重收集，并降低收集过程中样本污染的风险。此外，该系统是一种可行的基于比色法的生物标志物分析平台，其报告值与现有的临床方法相当。

图3 Sweatainer系统的场景研究

总体而言，Sweatainer系统为汗液研究提供了一系列可能性，包括远程诊断和居家诊断、用于未来临床研究的生物银行，以及将汗液分析整合到现有的临床化学方法中。此外，利用增材制造方法制备的Sweatainer，可以实现几何形状的定制，并简化集成到临床工作流程中，进一步增强了平台的潜力，促进了超低浓度汗液生物标志物的量化。未来的研究将寻求通过设计的优化，在更剧烈和动态的身体活动中，通过开发能够支持更广泛的体力消耗的优化设计，来研究汗液收集平台在临床应用之外的通用性。

审核编辑：刘清